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WO 2005/002763 PCT/FR2004/001418
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Installation de coulée continue pour une mise en rotation électro-
magnétique du métal liquide en transit dans la busette de coulée.
La présente invention a trait à la coulée continue des métaux, de (acier en
S particulier, mettant en oeuvre une busette de coulée immergée qui plonge
dans une
lingotiére placée en dessous. Plus précisément, l'invention concerne la mise
en rotation
axiale du métal liquide en transit au sein d'une telle burette entre le
répartiteur de coulée
et la lingotiére.
On sait que la mise en rotation axiale du métal déjà au sein de la .burette de
coulée est un moyen reconnu de contrôle des écoulements dans la lingotière en
modifiant la répartition des bulles de gaz et inclusions présentes dans Ie
métal liquide
avant son arrivée en lingotière. On parvient ainsi à:
- réduire, voire éliminer, les dépôts d'inclusions le long de la paroi
intérieure de la
burette ainsi que, en cas de burette à ouies de sortie latérales pour la
coulée de brames,
au niveau de ses ouïes et de sa cuvette de fond;
- réduire fortement la profondeur de pénétration des bulles de gaz et
inclusions dans le
puits liquide du produit en cours de coulée, donc également le risque de leur
piégeage
sur la face intrados des produits coulés sur machine courbe ,
- réduire la vitesse de circulation du métal liquide sous le ménisque ainsi
que les
fluctuations de niveau de celui-ci;
- limiter les instabilités d'écoulement, de type balancements de jets, dans Ia
lingotière
en générant un effet "gyroscopique" sur les écoulements dans la burette.
La mise en rotation des écoulements dans la busette de coulée appâtait ainsi
comme un moyen efficace pour lutter contre l'apparition des défauts d'aspect
de
surface, de type boursouflures et exfoliations, sur les tôles laminées à froid
des nuances
d'acier pour application automobile et des aciers pour emballage. Cette
technique
permet donc la réduction des opérations d'écriquage sur les brames coulées en
continu
(réduction voire suppression des défauts de surface sur tôles de type
exfoliation), la
suppression des déclassements et des litiges pour défauts boursouflés, ainsi
que
l'augmentation de productivité des machines par l'allongement des séquences et
l'augmentation des vitesses de coulée.
La mise en rotation du métal liquide dans la burette de coulée a déjà été
proposée en utilisant différents types d'actionneurs. On peut schématiquement
distinguer deux types d'actionneurs: les actionneurs "passifs" et les"
actifs".
Les actionneurs "passifs" sont entre autres les modifications de design de la
paroi interne de la busette (par exemple: spirales), les organes tels que
hélice, busette
interne hélicoïdale, etc... qui sont implantés dans Ie corps même de la
burette, ou les
modifications de la partie supérieure de la busette à la jonction avec le
répartiteur (par
exemple: cône d'accélération) ou encore les modifications de l'organe même de
régulation du débit métal dans la burette. Les inconvénients majeurs de ce
type
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d'actionneurs sont de générer une vitesse de rotation directement dépendante
du débit
métal transitant dans la busette et de constituer des sites privilégiés de
dépôts
d'inclusions dans la burette, d'où une augmentation potentielle des risques de
bouchage.
Les actionneurs "actifs" sont essentiellement de nature électromagnétique: un
inducteur électromagnétique annulaire statique de type polyphasé entoure la
burette à
faible distance sur une partie de sa longueur et génère un champ magnétique
tournant
autour de l'axe de coulée destiné à entraîner en rotation axiale avec lui le
métal liquide
présent dans la busette. On trouvera au besoin des exemples décrits dans les
documents
JP 06 023498 ou JP 07 108355 ou encore JP 07 148561.
Cependant, les dispositifs électromagnétiques jusqu'ici proposés sont, pour la
plupart, basés sur la technologie des stators linéaires à champ tournant
tangentiel
fonctionnant à basse, voire à très basse fréquence (<10 Hz). Ces dispositifs
présentent
notamment les inconvénients de:
- générer des vitesses de rotation souvent trop faibles, compte tenu des
fréquences de
courant utilisées, pour obtenir les effets souhaités (par exemple, à 4 Hz
triphasé
utilisable pour un diamètre interne de burette de 80 mm, la vitesse de
rotation théorique
maximale est de 80 tlmin),
- générer dans le métal liquide un champ de force fortement concentré près de
la paroi
intérieure de la burette, ce qui a pour conséquence de créer une zone de forte
dépression
dans la partie centrale de la busette où le métal est alors accëléré dans la
direction
verticale descendante;
- devoir fonctionner avec des courants électriques de forte intensité (>300-
500 A), ce
qui conduit à des dispositifs de taille importante afin ~de pouvoir assurer
leur
refroidissement, donc peu aisés à mettre en oeuvre sur une machine de coulée
continue
et de plus nécessiter l'utilisation de générateur électrique très onéreux.
Les autres sont à champ magnétique traversant, donc à pôles saillants bobinés
à une paire de pôles par phases en regard fun de (autre de part et d'autre de
Taxe de la
busette. L'invention s'inscrit dans cette catégorie. Ils permettent de
s'affranchir de
certains des inconvénients prémentionnés, en particulier du phénomène de
dépression
centrale. Toutefois, (exiguïté de l'endroit alliée à une puissance électrique
installée
nécessairement élevée, ainsi que la diminution recherchée de l'entrefer par
rapprochement entre la dent polaire saillante vers l'intérieur dépassant
l'enroulement et
la busette pour maximiser le couplage électromagnétique, conduisent
inévitablement en
fait à une détérioration du rendement énergétique en méme temps qu'à un
certain degré
de désorganisation possible des mouvements de rotation du métal suite,
notamment, à
des risques de pontages parasites du flux magnétique entre pôles trop voisins
appartenant à des phases différentes de (alimentation électrique.
Le but de la présente invention est de proposer une solution â une mise en
rotation électromagnétique du métal liquide au sein d'une busette de coulée
qui ne
présente pas les inconvénients des solutions connues.
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A cet effet, (invention a pour objet une installation de coulée continue des
métaux, de l'acier en particulier, dans laquelle la burette immergée par
laquelle le métal
en fusion à couler arrive en lingotière depuis un répartiteur de coulée situé
au-dessus est
entourée par un inducteur électromagnétique annulaire statique à champ
magnétique
mobile tournant autour de l'axe de coulée destiné à entraîner en rotation
axiale avec lui
le métal en fusion, ledit inducteur étant de type polyphasé à champ magnétique
traversant pourvu d'une paire de pôles par phase et dont chaque pôle est formé
par un
enroulement électrique bobiné autour d'une dent polaire saillante vers
(intérieur se
terminant par une face polaire disposée en regard et à proximité de la
burette, les dents
polaires étant reliées entre elles par une culasse magnétique périphérique
extérieure de
fermeture du flux magnétique, installation caractérisée en ce que chaque dent
polaire
présente un rétrécissement latéral (un biseau par exemple) à (extrémité de sa
partie
saillante, qui augmente la distance séparant les faces polaires entre elles.
Selon une variante avantageuse, l'inducteur annulaire est formé en deux demi-
coquilles articulées pivotantes pouvant se refermer autour de la burette.
Comme on l'aura sans doute compris, l'invention met en ouvre un champ
magnétique dit "traversant", c'est à dire passant par l'axe de la burette sans
affaiblissement notoire de son intensité entre le bord et le centre de celle-
ci. ,
Grâce à la base technologique retenue, à savoir celle à une paire de pôles par
phase de (alimentation électrique alimentant un inducteur annulaire polyphasé
à pôles
saillants bobinés répartis autour de la busette, le champ magnétique tournant
produit est
du type "traversant" recherché. Autrement-dit, à chaque instant, Taxe de
coulée est au
centre de l'entrefer de l'inducteur et le champ produit prospère dans cet
entrefer en
passant par Taxe de coulée pour, depuis un pôle magnétique donné, rejoindre le
pôle
magnétique apparié de signe contraire situé en face et non à côté de lui comme
ce serait
le cas avec un inducteur à pôles répartis ou à plusieurs paires de pôles par
phase.
On rappelle que ce type de technologie n'est pas nouveau en soi. Il est même
assez largement utilisé pour la mise en rotation du métal liquide coulé, non
pas au sein
d'une busette, mais dans la lingotière elle-même, donc dans Ie cas d'induits à
faire
tourner (la colonne de métal liquide) de bien plus grand diamètre apparent que
celui du
jet de métal' dans la burette et avec une exigence de vitesse angulaire de
rotation
corrélativement bien moindre (voir par exemple USP 4 462 458). Or,
contrairement aux
idées reçues, il s'avère que le transfert de cette technologie depuis la
lingotière à la
busette de coulée peut, sans nécessairement consentir à une baisse de
puissance installée
marquée, s'accompagner d'une réduction de taille de (inducteur compatible avec
le
montage de dernier autour et au plus près d'une burette de coulée pourvu que
l'on
conserve le caractère "traversant", en tous cas essentiellement "traversant",
du champ
magnétique produit, et ce sans nuire alors à son nécessaire refroidissement.
Or, c'est précisément là que se trouve l'idée à la base de (invention:
parvenir,
sans pénaliser les performances de (inducteur, préserver ce caractère
"traversant" du
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champ malgré la compacité de l'inducteur et la minimisation de (entrefer en
consentant
à une Légère perte de masse magnétique localisée à des endroits choisis des
pôles
saillants, à savoir les bords des faces actives, pour contre-carrer la
tendance naturelle du
champ magnétique de se propager dans l'entrefer selon les chemins les moins
reluctants
en bouclant encre des pôles voisins proches Les uns des autres.
Des tests réalisés sur acier ont confirmé la capacité d'un tel inducteur à
mettre
en rotation le métal s'écoulant dans une busette immergée dans des conditions
de coulée
bien plus sévères que celles qui seront rencontrées dans les machines
industrielles de
blooms ou de brames. Ces tests ont été effectués en effet avec une busette de
type droite
(ouïe axiale unique s'ouvrant dans le fond) dans laquelle le métal s'écoulait
à une vitesse
moyenne de (ordre de 3.5 à 4.2 m/s, sachant que dans une busette de coulée de
brames,
les vitesses moyennes débitant sont plutôt comprises entre 1,5 et 2,0 m/s.
L'invention sera de toute façon bien comprise et d'autres aspects et avantages
apparaîtront au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple de
réalisation et en
référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles:
- la figure 1 est un schéma représentant, vu en section droite, l'inducteur en
deux
demi-coquilies aboutées pourvu de son écran thermique interne bordant
l'entrefer;
- la figure 2 est un schéma analogue au précédent mais destiné à bien montrer
la
propagation des lignes de force du champ magnétique traversant dans (entrefer
telles que figées à un instant donné quelconque du fonctionnement de
l'inducteur;
- la figure 3 est un schéma fonctionnel de principe montrant l'articulation
des deux
demi-coquilles constitutives de l'inducteur;
- la figure 4 montre la carte des vitesses du métal liquide toûrnant au sein
de la busette
de coulée sous l'effet du champ magnétique dans un plan de section droite de
la
busette;
- la figure 5 montre l'évolution de l'intensité B du champ magnëtique dans
l'entrefer le
long un diamètre D de la busette pris dans un plan situé à mi hauteur de
(inducteur;
- Ia figure 6 montre, en correspondance avec la représentation de la figure 5,
l'évolution corrélative du champ de forces magnétiques FB Ie long d'un
diamètre D
de la busette selon un profil radial R et selon un profil orthoradial OR.
Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des références
identiques.
Comme on le voit en se reportant aux figures 1 à 3 conjointement, (inducteur
1 est un stator de moteur linéaire refermé sur lui-même, constitué à cet effet
de deux
parties hémi-tubulaires égales indépendantes 2a et 2b, (les demi-coquilles).
Chaque
demi-coquille comporte trois pôles saillants bobinés 3 dont la face polaire 4
est tournée
vers (intérieur, ces pôles magnétiques, en tôles de fer doux empilées
assemblées, étant
classiquement reliés entre eux par une culasse hémi-tubulaire périphérique
externe Sa,
Sb. L'ensemble est dimensionné pour que les deux culasses appariées viennent
s'abouter
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dans le plan de jonction J lorsque (inducteur est en position de travail
fermée montrée
sur les figures 1 et 2.
Une calotte 7a, 7b, également de forme hémi-tubulaire correspondante coiffe
intérieurement les faces polaires de chaque demi-coquille et forme, une fois
l'inducteur
5 en position fermée, un écran de protection thermique 7 qui entoure à faible
distance la
busette de coulée. Cette protection thermique est souhaitable pour les
enroulements
électriques 3 de l'inducteur à l'égard du rayonnement émis par la busette de
coulée 8
montrée sur la figure 3 et canalisant le flux de métal en fusion vers la
lingotière. Des
précisions sur la constitution possible de cet écran seront données par la
suite.
L'enroulement électrique 6 de chaque pôle bobiné 3 est relié à une phase d'une
alimentation électrique triphasée (non représentée) destinée à fournir le
courant primaire
de (inducteur. L'inducteur étant en position fermée, un pôle saillant
quelconque de Tune
des demi-coquilles 2a fait diamétralement face à un pôle saillant de (autre
demi-
coquille 2b. Ces deux pôles forment une "paire de pôles" en ce sens qu'ils
sont tous
deux connectés à la même phase de (alimentation électrique, mais en opposition
(par
exemple via un sens de bobinage différent) de manière à ce que, à chaque
instant, leurs
faces actives soient de signes contraires. Cette condition est nécessaire pour
que le
champ magnétique produit soit de type traversant.
Les pôles 3 et la culasse Sa,Sb de retour du flux magnétique sont feuilletés
en
tôles Fe-Si à grains orientés d'épaisseur initiale 0.3 mm de manière à
minimiser les
pertes d'hystérésis. Leur hauteur opérationnelle (hauteur de la face active 4)
est
comprise entre 50 (valeur minimale) et 500 mm, fonction de la place disponible
encre le
répartiteur et le haut de la lingotière entre lesquels (inducteur prendra
place. Leur
diamètre interne (diamètre de l'entrefer) est de l'ordre du diamètre externe
de la burette
de coulée augmenté d'une dizaine de mm à peine pour préserver une séparation
mais de
manière à assurer le meilleur couplage inductif possible.
Les enroulements primaires 6 sont constitués d'un grand nombre (plusieurs
centaines) de spires en fils de cuivre de très faible diamètre supportant des
densités de
courants élevées (>10 A/mm2). Ils sont munis en leur sein d'extracteurs de
chaleur en
cuivre refroidis par circulation d'eau (non représentés).
Ces bobinages sont alimentés en courants triphasés à moyenne fréquence
allant de 50 Hz à 600 Hz. Dans la technologie proposée, on notera que
fonctionner à
fréquence élevée, supérieure à 50 ou 60 Hz, permet, à intensité constante des
courants,
d'augmenter le couple moteur que les forces électromagnétiques exercent sur le
métal
s'écoulant dans la burette. Toutefois, cette option nécessite (utilisation de
convertisseur
de fréquences contrairement au fonctionnement à la fréquence du réseau (50 ou
60 Hz).
Comme le montre le diagramme de la figure 5, ce moteur statique que
constitue (inducteur 1 peut générer dans son entrefer occupé par la busette un
champ
électromagnétique transverse (dit traversant) de forte intensité (entre 1000
et 1500
gauss) pour des valeurs faibles des courants inducteurs (quelques dizaines
d'ampères).
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Ce champ, comme on le voit sur le diagramme, est quasiment uniforme dans
la partie centrale de l'entrefer. Cette caractéristique essentielle de
l'invention permet de
générer dans le métal liquide un champ de forces uniformément décroissant de
la paroi
jusqu'au centre, comme montré sur le diagramme de la figure 6. Ceci permet,
comme le
montre clairement également la carte de vitesse de la figure 4, de mettre en
rotation le
métal liquide avec une vitesse qui reste importante même dans la partie axiale
de la
busette. Cette spécificité est nécessaire pour éviter une trop forte
dépression dans la
partie centrale de la busette où le métal aurait tendance alors à "fuir" et à
subir une forte
accélération verticale descendante, annulant ainsi une partie de (effet
bénéfique de la
mise en rotation.
Comme il apparaît clairement sur la figure 2, c'est grâce à la forme retrécie
des
dents magnétiques radiaux 3 à leur extrémité libre 4 (les faces polaires) que,
à tout
moment, les lignes de force du champ magnétique dans l'entrefer relient pour
(essentiel
deux pôles diamétralement opposés et que seule une partie résiduelle du champ
boucle
entre pôles voisins. Ce résultat, indispensable à la mise en oeuvre de
l'invention, est
obtenu, en dépit de la compacité nécessaire de (inducteur, grave à cette forme
retrécie
de l'extrémité des pôles, qui fait que malgré Leur rapprochement mutuel à
mesure que
ion avance vers le centre, la distance qui sépare leurs extrémités libres ceux
à deux
reste suffisante pour éviter un pontage important des lignes de champ entre
elles. C'est
cela qui, dans le cas d'inducteur compact de petite taille, est garant de la
forte intensité
relative du champ magnétique dans l'axe (cf. fig. 5), autrement-dit du
caractère
impérativement "traversant" de ce champ sans lequel l'invention ne produit pas
les
effets recherchés. Comme on le voit sur Ia figure 1 et plus ~ visiblement
encore sur la
figure 2, ce retrécissement de forme des dents radiales 3 est obtenue grâce à
un
prédécoupage en biseau 12 des extrémités des tôles à empiler pour fornler les
former.
L'angle du biseau est à ajuster en fonction du diamètre externe de la busette
à entourer.
On retiendra toutefois que la face polaire 4 ne doit pas être, en surface,
inférieure à la
moitié de la section droite de la dent 3 et que le début du biseau de
retrécissement 12 sur
le corps de la dent peut s'initier qu'au deux tiers de la longueur. Il n'est
pas nécessaire de
débuter avant et c'est même souhaitable de le faire le plus tard possible afin
de
maximiser la masse magnétique de inducteur.
En alimentant (inducteur par un circuit résonant, (intensité des courants
primaires peut être fortement augmentée. La technique proposée permet en
effet, dans
une large gamme d'intensité des courants primaires, d'augmenter très fortement
(intensité du champ électromagnétique dans l'entrefer, en augmentant
(intensité de ces
courants à des valeurs bien au delà de (intensité seuil correspondante à la
saturation
magnétique de la culasse 5. Celle-ci permet de canaliser les lignes de champ
magnétique et d'augmenter, dans (entrefer du moteur, (intensité de ce champ
magnétique jusqu'à ce que ce dernier~atteigne sa valeur de saturation dans la
culasse. Au
delà de cette valeur seuil, c'est le champ magnétique généré, par (inducteur
directement
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dans l'air qui contribue à l'augmentation de (intensité du champ dans
l'entrefer du
moteur.
En fonctionnement, l'inducteur est très proche (à 5 mm environ de distance) de
la busette de coulée 8 dont la température extérieure est de l'ordre de 1100 à
1200°C. Sa
protection thermique, vis-à-vis du rayonnement émis par la busette, est alors
assurée par
l'écran segmenté en cuivre 7, de fine épaisseur, refroidi par circulation
d'eau et
transparent au champ électromagnétique grâce à cette segmentation.
La constitution de l'inducteur 1 en deux parties hémi-tubulaires indépendantes
Sa et Sb permet aisément sa mise en place autour de la busette et son retrait
à tout
moment sans aucune modification du procédé standard de coulée. En se reportant
à
nouveau sur la figure 3, on voit que, pour être mis en place autour de la
busette de
coulée 8, l'inducteur est avantageusement maintenu par un support constitué de
deux
bras 9 articulés autour d'un axe pivoteur 10. Les bras sont animés par des
vérins 11 qui
assurent leur fermeture-ouverture et permettent d'exercer une force de contact
su~sante
(supérieure à 200 kgf) entre les culasses Sa et Sb des deux parties hémi-
tubulaires 2a et
2b une fois celles-ci aboutées comme le montre la figure 1. D'une part, un
contact étroit
entre les culasses Sa et Sb est nécessaire à un bon bouclage des lignes de
champ
magnétique entre les deux parties constitutives de (inducteur et donc à un bon
rendement électromagnétique. D'autre part, une force importante de fermeture
de deux
hémi-tubes est nécessaire pour empêcher les vibrations qui seraient
inévitablement
générées par les forces électromagnétiques oscillantes.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à (exemple de réalisation
décrit
mais qu'elle s'étend à de multiples variantes et équivalents dans la mesure où
est
respectée sa définition donnée par les revendications jointes.
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